El micrófono: patrones polares

Los elementos internos de un micrófono son la principal fuente de diferencias en la direccionalidad. Un micrófono de presión usa un diafragma entre un volumen interno fijo de aire y el ambiente, y responde uniformemente a la presión desde todas las direcciones, por lo que se dice que es omnidireccional. Un micrófono de gradiente de presión utiliza un diafragma que está al menos parcialmente abierto en ambos lados. La diferencia de presión entre los dos lados produce sus características direccionales. Otros elementos, como la forma externa del micrófono y los dispositivos externos, como los tubos de interferencia, también pueden alterar la respuesta direccional de un micrófono. Un micrófono de gradiente de presión puro es igualmente sensible a los sonidos que llegan desde adelante o atrás, pero insensible a los sonidos que llegan desde un lado porque el sonido que llega al frente y atrás al mismo tiempo no crea gradiente entre los dos. El patrón direccional característico de un micrófono de gradiente de presión puro es como una figura en forma de 8. Otros patrones polares se generan al crear una cápsula que combina estos dos efectos de diferentes maneras. El cardioide, por ejemplo, presenta una parte trasera parcialmente cerrada, por lo que su respuesta es una combinación de características de presión y gradiente de presión.

La direccionalidad de un micrófono o patrón polar indica de qué manera es sensible a los sonidos que llegan en diferentes ángulos alrededor de su eje central. Los patrones polares ilustrados anteriormente representan el lugar geométrico de los puntos que producen la misma salida de nivel de señal en el micrófono si un determinado nivel de presión sonora (SPL) se genera a partir de ese punto. La forma en que el cuerpo físico del micrófono se orienta en relación con los diagramas depende del diseño del micrófono. Para los micrófonos de gran membrana como en el Oktava (foto superior), la dirección hacia arriba en el diagrama polar es generalmente perpendicular al cuerpo del micrófono, comúnmente conocido como "lado de fuego" o "dirección de lado". Para los pequeños micrófonos de diafragma, como el Shure (también en la foto de arriba), por lo general se extiende desde el eje del micrófono comúnmente conocido como "fuego final" o "dirección de la parte superior/fin".

Algunos diseños de micrófonos combinan varios principios en la creación del patrón polar deseado. Esto va desde el blindaje del propio alojamiento (lo que significa difracción/disipación/absorción), hasta combinar electrónicamente membranas duales.

Omnidireccional

La respuesta de un micrófono omnidireccional (o no direccional) se considera generalmente que es una esfera perfecta en tres dimensiones. En el mundo real, este no es el caso. Como con los micrófonos direccionales, el patrón polar de un micrófono "omnidireccional" es una función de la frecuencia. El cuerpo del micrófono no es infinitamente pequeño y, como consecuencia, tiende a interferir en su propio campo con respecto a los sonidos que llegan desde la parte trasera, provocando un ligero aplanamiento de la respuesta polar. Este aplanamiento aumenta a medida que el diámetro del micrófono (asumiendo que es cilíndrico) llega a la longitud de onda de la frecuencia en cuestión. Por lo tanto, el micrófono de diámetro más pequeño da las mejores características omnidireccionales a altas frecuencias.

La longitud de onda del sonido a 10 kHz es poco más de una pulgada (3,4 cm). Los micrófonos de medición más pequeños suelen ser de 1/4" (6 mm) de diámetro, lo que prácticamente elimina la direccionalidad incluso hasta de las frecuencias más altas. Los micrófonos omnidireccionales, a diferencia de los cardioides, no emplean cavidades resonantes, por lo que pueden ser considerados los micrófonos "más puros" en términos de baja coloración; agregan muy poca distorsión al sonido original. Ser sensible a la presión puede requerir una respuesta de baja frecuencia muy plana hasta los 20 Hz o por debajo, por lo que los micrófonos sensibles a la presión también responden mucho menos al ruido del viento y a las oclusivas (velocidad sensible) que los micrófonos direccionales.

Un ejemplo de un micrófono no direccional es el modelo "8-Ball", cuyo diseño es una esfera de color negro.

Unidireccional

Un micrófono unidireccional es sensible a los sonidos de una sola dirección. El diagrama anterior ilustra varios de estos patrones. En cada diagrama, el micrófono está orientado hacia arriba. La intensidad del sonido de una frecuencia particular se mide perimetralmente de 0 a 360°. Los diagramas profesionales muestran estas escalas e incluyen varias gráficas con diferentes frecuencias. Los diagramas anteriores solo proporcionan una visión general de las formas típicas de los patrones habituales, y facilitan sus nombres.

Los micrófonos unidireccionales o direccionales son aquellos micrófonos muy sensibles a una única dirección y relativamente sordos a las restantes.

Su principal inconveniente es que no dan una respuesta constante: son más direccionales si se trata de frecuencias altas (agudos) que si son de bajas (graves), ya que la direccionalidad del sonido, como de todo tipo de ondas (ya sean mecánicas o electromagnéticas), depende de su frecuencia.

Su principal ventaja es que permite una captación localizada del sonido. Normalmente, se utilizan acoplados a jirafas de sonido.

Dentro de los micrófonos direccionales se hallan diferentes tipos:

• Micrófono cardioides: Muy sensibles a los sonidos provenientes por el frente y muy poco sensibles a los que le llegan por detrás.

• Micrófono supercardioide: Lóbulo frontal más prominente que el cardioide, pero menos que el hipercardioide. Mayor sensibilidad posterior que el cardioide, pero menor que el hipercardioide.

• Micrófono hipercardioide: Lóbulo frontal más prominente que el cardioide o el supercardioide, pero recoge más sonido por su parte posterior que el cardioide y el supercardioide.

Existen determinados diseños que acentúan la direccionalidad de los micros con este tipo de cápsulas. Por ejemplo, aprovechar un reflector paraboloide para concentrar las ondas sonoras hacia un micrófono (micrófono parabólico). También aprovechar las cancelaciones o reforzamiento de las fases como sucede en los micrófonos de interferencia.

Veámoslo un poco más en detalle:

Cardioide

El micrófono unidireccional más común es el micrófono cardioide, llamado así debido a que el patrón de sensibilidad tiene "forma de corazón", es decir, una curva cardioide. La familia de micrófonos cardioides se utilizan comúnmente como micrófonos vocales o del habla, ya que son buenos en el rechazo de los sonidos de otras direcciones. En tres dimensiones, el cardioide tiene la forma de una manzana, centrada alrededor del micrófono que sería el "tallo" de la manzana. La respuesta cardioide reduce la captación trasera y desde los lados, ayudando a evitar la retroalimentación de los monitores. Estos micrófonos son direccionales respecto al gradiente de presión del transductor, por lo que ponerlos muy cerca de la fuente de sonido (a distancias de unos pocos centímetros) se traduce en un refuerzo de los graves. Esto se conoce como el "efecto de proximidad".​ El SM58 ha sido el micrófono más utilizado para voces en directo durante más de 50 años, lo que demuestra la importancia y la popularidad de los micrófonos cardioides.

Un micrófono cardioide es efectivamente una superposición de un micrófono omnidireccional y de un micrófono en figura en 8. Con esta disposición, las ondas sonoras procedentes de la parte de atrás, la señal negativa del dispositivo con figura en 8, cancela la señal positiva del elemento omnidireccional, mientras que para las ondas de sonido que vienen de la parte delantera, los dos se suman entre sí.

Los micrófonos cardioides son micrófonos unidireccionales con un diagrama polar cardioide, lo que se traduce en una mayor sensibilidad hacia los sonidos que le llegan por su parte frontal y, por el contrario, un mínimo de sensibilidad a los que le llegan por su parte posterior, donde se va produciendo una atenuación gradual.

Esta forma de corazón se obtiene dejando el diafragma libre en su parte delantera y construyendo en su parte posterior laberintos acústicos.

La mejor respuesta en frecuencia, los micrófonos cardiodes la ofrecen a las frecuencias medias. Los graves se dispersan más, mientras que, ante los agudos, se vuelve más direccional.

Como el micro cardioide puede alcanzar los 181º de ángulo preferente, resultan ideales para la captación general de sonido desde un punto de vista frontal. Además, los micros cardioides admiten las fuentes espaciadas, a diferencia de los micros bidireccionales.

El inconveniente de los micros cardioides, es que por pequeña que sea su sensibilidad posterior, esta puede producir retroalimentación si hay un altavoz situado en el escenario. Por el mismo motivo, tampoco es muy utilizado en televisión, aún puede captar parte de sonido no deseado como los movimientos de cámara o de la reverberación procedente de las paredes. En cambio, sí son muy utilizados cuando pueden estar cerca de la fuente, por ejemplo, como micrófono de mano para cantantes, etc.

Hipercardioide 

Un micrófono hipercardioide es similar, pero con una figura en 8 un poco más grande, lo que produce una zona más estrecha de sensibilidad frontal y un lóbulo menor de sensibilidad trasera. El micrófono hipercardioide es un tipo de micrófono que posee una respuesta cardioide modificada, con un lóbulo frontal más estrecho (zona principal de captación) y una zona posterior de menor sensibilidad. El supercardioide e hipercardioide rechazan mejor el sonido proveniente a la cápsula por los lados, pero son más sensibles a los sonidos provenientes desde atrás. Se le considera, en general, como el micrófono que establece el mejor equilibrio entre el sonido incidente y el ambiental.

Supercardioide

Un micrófono supercardioide es similar a uno hiper-cardioide, excepto en que posee una mayor sensibilidad frontal y una trasera todavía menor. Mientras que cualquier patrón entre el omnidireccional y la figura en 8 es posible mediante el ajuste de su mezcla, las definiciones comunes afirman que un hipercardioide se produce mediante la combinación de ambos en una proporción de 3:1, produciendo sensibilidad nula a 109,5 °, mientras que un supercardioide se genera con una relación 5:3, con sensibilidad nula a 126,9°. 

Un micrófono supercardioide es un micrófono unidireccional con un diagrama polar con forma de corazón que ofrece un ángulo de respuesta (recepción del sonido) menor que un micrófono cardioide, de 115 grados, por lo que a su vez representa un mayor rechazo al sonido ambiental.

La parte menos sensible de un micrófono supercardioide se encuentra a 126 grados del eje principal, a diferencia de los 180 grados de un micrófono cardioide.

Estos micrófonos, bien colocados, pueden en general reducir el ruido de ambiente y estar mejor dirigidos a la fuente del sonido (a comparación de un micrófono cardioide), pero con la desventaja de recibir sonido proveniente de la parte posterior del micrófono, que se denomina lóbulo trasero.

En términos generales el micrófono supercardioide:

• Tiene una cobertura de 115 grados en su patrón polar.
• El ángulo de rechazo se encuentra a los 126 grados.
• Tiene un rechazo de -12 dB en la parte posterior (a comparación del frente).
• Tiene un 27% de sensibilidad al ruido ambiental (en comparación con un micrófono omnidireccional).

Sub-cardioide

El micrófono sub-cardioide no tiene puntos nulos. Se produce con una relación de aproximadamente 7:3, con un nivel de 3-10 dB entre la toma delantera y la posterior.

Bidireccional

Los micrófonos en "Figura de 8" o micrófonos bidireccionales, reciben el sonido por igual de las partes delantera y posterior del elemento. La mayoría de los micrófonos de cinta son de este tipo. En principio no responden a la presión sonara en absoluto, excepto para el cambio de presión entre la parte delantera y la parte posterior; desde su llegada, el sonido alcanza la parte delantera y la trasera de igual manera, y no hay diferencia en la presión. Por lo tanto, no responden al sonido de esa dirección. En términos matemáticos, mientras que los micrófonos omnidireccionales son transductores escalares que responden a la presión desde cualquier dirección, los micrófonos bidireccionales son transductores vectoriales que responden al gradiente a lo largo de un eje normal al plano del diafragma. Esto también tiene el efecto de invertir la polaridad de salida para los sonidos que llegan desde el lado posterior.

Los micrófonos bidireccionales tienen un diagrama polar en forma de 8, lo que significa que captan tanto el sonido que les llega por su parte frontal, como por su parte posterior. Sin embargo, son sordos al sonido que les llega por los laterales.

Un inconveniente del diagrama polar en forma de ocho es que hay que tener cuidado con las cancelaciones que puedan producirse por contrafases. De ocurrir esto, se puede corregir reorientando el micrófono.

Esta respuesta polar o polarizada, comienza a perder eficiencia por encima de los 10 kHz. Donde, ofrecen mayor sensibilidad a los sonidos procedentes del eje horizontal que del eje vertical. Esto se produce porque los agudos que llegan por encima del micrófono sufren una cancelación parcial, debido a que las fases se interfieren.

El ángulo preferente de los micros bidireccionales se sitúa en torno a los 100º.

El micrófono de cinta es el tipo de micro con una respuesta bidireccional más eficaz (para ello, hay que dejar la misma cantidad de cinta al aire, tanto por delante, como por detrás).

Aunque es un micro muy utilizado a la hora de realizar entrevistas radiofónicas (donde entrevistador y entrevistados se sientan uno frente a otro), su uso en televisión es limitado. Que sea muy utilizado no significa que sea muy recomendable, porque, usado en el ejemplo anterior, impide procesar (ecualizar si fuese necesario) las voces por separado (¿y si una voz es mucho más potente que otra?).

Existen micros que ofrecen una respuesta bidireccional, pero que en realidad son micros construidos a partir de dos cápsulas cardioides colocadas en direcciones opuestas espalda con espalda.

Shotgun, boom y micrófonos parabólicos

Los micrófonos de cañón son altamente direccionales. Su patrón direccional tiene un lóbulo muy estrecho en la dirección hacia adelante y rechaza el sonido de otras direcciones. Tienen pequeños lóbulos de sensibilidad a la izquierda, a la derecha, y en la parte trasera, pero son mucho menos sensibles en la parte trasera que otros micrófonos direccionales. Esto es consecuencia de la colocación del elemento en el extremo posterior de un tubo con ranuras cortadas a lo largo del lateral; la cancelación de ondas elimina gran parte del sonido fuera del eje. Debido a la estrechez de su área de sensibilidad, los micrófonos de cañón se utilizan comúnmente en las cámaras de televisión y de cine, en los estadios, y para la grabación de campo de la vida silvestre. Los micrófonos parabólicos tienen características similares, pero a menudo tienen una respuesta de graves más pobre.

Limitadores o "PZM"

Varios enfoques han sido desarrollados para la utilización eficaz de un micrófono en espacios acústicos no ideales, que a menudo sufren de reflexiones excesivas de una o más de las superficies (límites) que componen el espacio. Si el micrófono se coloca en, o muy cerca de, uno de estos límites, las reflexiones de superficie no son detectadas por el micrófono. Inicialmente esto se hizo mediante la colocación de un micrófono normal adyacente a la superficie, a veces en un bloque de espuma acústicamente transparente. Los ingenieros de sonido Ed Long y Ron Wickersham desarrollaron el concepto de colocar el diafragma en paralelo y hacia la frontera. Hasta que la patente expire,​ los términos "Pressure Zone Microphone" y "PZM" siguen siendo marcas activas de Crown International, por lo que es preferible utilizar la locución genérica «micrófono de superficie». Mientras que el micrófono de superficie se diseñó inicialmente utilizando un elemento omnidireccional, también es posible montar un micrófono direccional lo suficientemente cerca de la superficie para obtener algunos de los beneficios de esta técnica, al tiempo que conserva las propiedades direccionales del elemento. La marca registrada de Crown de este enfoque se denomina "Phase Coherent Cardioid" o "PCC", pero hay otros fabricantes que emplean esta técnica también.

Los micrófonos de zona de presión (PZM Pressure Zone Microphone) captan el sonido proveniente de todas las direcciones, por lo que son omnidireccionales (con diagrama polar circular). Esto supone un inconveniente, dado que no es aconsejable su uso cuando hay altavoces cerca, pues se acopla.

El micrófono de zona de presión consta de dos partes: la cápsula microfónica propiamente dicha y reflector parabólico de unos 15 cm de diámetro. La cápsula microfónica está separada 2 o 3 mílimetros del plato. La cápsula es una cavidad rígida (cerrada) con una única apertura en su parte superior, que es por donde llegaran las ondas sonoras.

El micrófono se coloca de modo que la abertura queda mirando al plato o reflector paraboloide, mientras que la parte cerrada queda en dirección a la fuente sonora. Los frentes de onda llegaran al reflector que lo recoge y los redirige hacia la cápsula.

Se fija al suelo, mesa, pared y se usa normalmente para destacar ruidos reflejados por el entorno. No obstante, no se trata de un micrófono de contacto, como los utilizados en la tecnología MIDI (pastillas de guitarra, etc), pues, ni se coloca directamente sobre la fuente sonora, ni capta las vibraciones superficiales.

Su principal inconveniente es que produce coloración en las frecuencias altas (agudos), por reforzamiento de fase producido por las reflexiones.

Por lo general, se trata de cápsulas electret. Aunque también pueden ser cualquier otro tipo de cápsula.

El llamado micrófono de corbata suele ser un micrófono de zona de presión, también denominado impropiamente con el anglicismo "Lavalier".